水热制备荧光碳量子点及其在敏化太阳电池中的应用
发布时间：2021-06-08 18:50
作为碳纳米材料家族的一员,碳量子点（CQDs）以其独特的光电特性、环境友好、制备成本低等优点成为近年来的研究热点,并在太阳电池、光电催化、传感器等光伏与光电领域展现出广阔的应用潜力。本文以壳聚糖为原料,采用水热法在酸性、中性、碱性（pH=3,7,10）环境下制备了荧光碳量子点,并对其光致发光性质和结构进行了表征。TEM测试表明,随着pH值从3增大到10,其粒径由2.80 nm减小到1.83 nm。将获得的碳量子点作为光敏化剂,组装成敏化太阳电池（SSCs）,结果表明pH=3时制备出的CQDs组装的太阳电池具有最高的光电转换效率（PCE）。为了进一步提升SSCs的性能,将CQDs与N719染料复合,制备了共敏化太阳电池（co-SSCs）。由于CQDs的上转换特性和良好的载流子传输性能,CQDs/N719基co-SSCs的PCE较CQDs及N719染料单独敏化太阳电池显著提高,最高PCE达9.13%。这些研究结果为制备碳量子点及组装高效敏化太阳电池提供了新思路。
【文章来源】：发光学报. 2020,41(10)北大核心EICSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
不同水热环境制备的CQDs的透射电镜图。
壳聚糖含有大量的氨基(—NH2)和羟基(—OH)官能团,是一种天然氨基多糖,在水热作用下会水解成为葡萄糖。葡萄糖脱水缩合后形成CQDs。壳聚糖自身的天然性和无毒性,使其被视为一种制备CQDs的良好前驱体[20]。用硝酸和氨水来调节水热环境的pH值,在pH值分别为3,7,10的酸性、中性和碱性环境中,制备具有荧光特性的CQDs。对不同酸碱水热环境中制备得到的CQDs的高纯水溶液进行紫外-可见光吸收光谱(UV2310II spectrometer (Techcomp,China))表征,结果如图1(a)所示。酸性水热环境(pH=3)下得到的CQDs溶液在270 nm处有一个明显的吸收峰,归因于 C = C 键的π-π*跃迁;而中性和碱性CQDs溶液的紫外吸收光谱均呈现出两个明显的吸收峰,且中性CQDs的吸收峰位于240 nm与300 nm处,碱性CQDs溶液的吸收峰位于260 nm与300 nm处,归因于形成CQDs的 C = Ο 键的n-π*跃迁和 C = C 键的π-π*跃迁[21-22]。图1(b)～(d)分别为酸性、中性和碱性CQDs溶液的光致发光光谱(F-7000,Hitachi High Tech CO., Japan)。从图1(b)～(d)可知,3种水热环境下获得的CQDs均表现出激发波长依赖性,随着激发波长的增大,发射波长出现显著红移,且发射强度呈现先增加后减小的变化趋势。为进一步证明其荧光特性,图2(a)～(c)分别给出pH=3,7,10的水热环境中获得的CQDs的透射电镜图及高倍透射电镜图(TEM & HRTEM,FEI Tecnai G-20),以及相应溶液在紫外灯照射下的荧光照片。从图中可看出,中性和碱性量子点溶液在紫外灯照射下发出明亮的蓝色光。从高倍透射电镜图可知,在pH=3,7,10的水热环境中制备的CQDs的晶格间距分别为0.29,0.28,0.26 nm,且平均晶粒尺寸分别为2.80,2.28,1.83 nm。这表明不同pH环境下,量子点的掺杂环境不同,致使表面官能团不同,从而改变CQDs的晶格间距。
为了获得高效率的敏化太阳电池,我们采用两种敏化剂复合来制备共敏化太阳电池。分别利用N719的乙醇溶液和pH=3环境下制得的CQDs对FTO支撑的TiO2光阳极进行敏化,再结合包含氧化还原对I-/I-3的电解质,以及FTO玻璃支撑的铂对电极,可制作得到共敏化太阳电池。图4(b)为共敏化太阳电池的J-V特性曲线,光伏参数见表1。由图4(b)和表1可知,与单一的CQDs或N719基敏化太阳电池相比,CQDs/N719共敏化太阳电池的JSC、VOC、FF及PCE均有显著提升,并且其光电转换效率高达9.13%。基于复合敏化剂CQDs/N719共敏化太阳电池性能提升的主要原因是:一方面,CQDs与N719之间的荧光共振能量转移(Fluorescence resonance energy transfer,FRET)作用有效地增加了器件的光吸收能力[24];另一方面,N719的VB(-5.55 eV)介于TiO2光阳极和CQDs的VB之间,且CB(-3.85 eV)位于TiO2光阳极VB上方,能更好地与CQDs的VB相匹配。而N719、CQDs和电解质构成的梯度能级结构更有利于电子的输出,促进了光生载流子的分离[25]。在Ag2S、CdS、PbS等量子点的研究中,人们也证实了量子点有助于界面电荷传输,从而提高量子点与染料共敏化太阳电池的光电转换效率[26-29]。表1 CQDs敏化太阳电池和N719/CQDs共敏化太阳电池的光伏参数Tab.1 Photovoltaic parameters of CQD SSCs and N719/CQDs co-SSCs Sample JSC/(mA·cm-2) VOC/ V FF PCE/% pH=3 0.40 0.50 0.60 0.24 pH=7 0.37 0.43 0.56 0.17 pH=10 0.27 0.41 0.49 0.09 N719 16.80 0.73 0.70 8.40 N719/CQDs 17.00 0.75 0.71 9.13
【参考文献】：
期刊论文
[1]Ag2Se量子点共敏化固态染料敏化太阳能电池光电性能研究[J]. 杨英,潘德群,张政,陈甜,韩晓敏,张力松,郭学益. 无机材料学报. 2019(02)
硕士论文
[1]氮掺杂碳量子点的制备及其在染料敏化太阳电池中的应用研究[D]. 杨启鸣.云南师范大学 2018
本文编号：3219003
【文章来源】：发光学报. 2020,41(10)北大核心EICSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
不同水热环境制备的CQDs的透射电镜图。
壳聚糖含有大量的氨基(—NH2)和羟基(—OH)官能团,是一种天然氨基多糖,在水热作用下会水解成为葡萄糖。葡萄糖脱水缩合后形成CQDs。壳聚糖自身的天然性和无毒性,使其被视为一种制备CQDs的良好前驱体[20]。用硝酸和氨水来调节水热环境的pH值,在pH值分别为3,7,10的酸性、中性和碱性环境中,制备具有荧光特性的CQDs。对不同酸碱水热环境中制备得到的CQDs的高纯水溶液进行紫外-可见光吸收光谱(UV2310II spectrometer (Techcomp,China))表征,结果如图1(a)所示。酸性水热环境(pH=3)下得到的CQDs溶液在270 nm处有一个明显的吸收峰,归因于 C = C 键的π-π*跃迁;而中性和碱性CQDs溶液的紫外吸收光谱均呈现出两个明显的吸收峰,且中性CQDs的吸收峰位于240 nm与300 nm处,碱性CQDs溶液的吸收峰位于260 nm与300 nm处,归因于形成CQDs的 C = Ο 键的n-π*跃迁和 C = C 键的π-π*跃迁[21-22]。图1(b)～(d)分别为酸性、中性和碱性CQDs溶液的光致发光光谱(F-7000,Hitachi High Tech CO., Japan)。从图1(b)～(d)可知,3种水热环境下获得的CQDs均表现出激发波长依赖性,随着激发波长的增大,发射波长出现显著红移,且发射强度呈现先增加后减小的变化趋势。为进一步证明其荧光特性,图2(a)～(c)分别给出pH=3,7,10的水热环境中获得的CQDs的透射电镜图及高倍透射电镜图(TEM & HRTEM,FEI Tecnai G-20),以及相应溶液在紫外灯照射下的荧光照片。从图中可看出,中性和碱性量子点溶液在紫外灯照射下发出明亮的蓝色光。从高倍透射电镜图可知,在pH=3,7,10的水热环境中制备的CQDs的晶格间距分别为0.29,0.28,0.26 nm,且平均晶粒尺寸分别为2.80,2.28,1.83 nm。这表明不同pH环境下,量子点的掺杂环境不同,致使表面官能团不同,从而改变CQDs的晶格间距。
为了获得高效率的敏化太阳电池,我们采用两种敏化剂复合来制备共敏化太阳电池。分别利用N719的乙醇溶液和pH=3环境下制得的CQDs对FTO支撑的TiO2光阳极进行敏化,再结合包含氧化还原对I-/I-3的电解质,以及FTO玻璃支撑的铂对电极,可制作得到共敏化太阳电池。图4(b)为共敏化太阳电池的J-V特性曲线,光伏参数见表1。由图4(b)和表1可知,与单一的CQDs或N719基敏化太阳电池相比,CQDs/N719共敏化太阳电池的JSC、VOC、FF及PCE均有显著提升,并且其光电转换效率高达9.13%。基于复合敏化剂CQDs/N719共敏化太阳电池性能提升的主要原因是:一方面,CQDs与N719之间的荧光共振能量转移(Fluorescence resonance energy transfer,FRET)作用有效地增加了器件的光吸收能力[24];另一方面,N719的VB(-5.55 eV)介于TiO2光阳极和CQDs的VB之间,且CB(-3.85 eV)位于TiO2光阳极VB上方,能更好地与CQDs的VB相匹配。而N719、CQDs和电解质构成的梯度能级结构更有利于电子的输出,促进了光生载流子的分离[25]。在Ag2S、CdS、PbS等量子点的研究中,人们也证实了量子点有助于界面电荷传输,从而提高量子点与染料共敏化太阳电池的光电转换效率[26-29]。表1 CQDs敏化太阳电池和N719/CQDs共敏化太阳电池的光伏参数Tab.1 Photovoltaic parameters of CQD SSCs and N719/CQDs co-SSCs Sample JSC/(mA·cm-2) VOC/ V FF PCE/% pH=3 0.40 0.50 0.60 0.24 pH=7 0.37 0.43 0.56 0.17 pH=10 0.27 0.41 0.49 0.09 N719 16.80 0.73 0.70 8.40 N719/CQDs 17.00 0.75 0.71 9.13
【参考文献】：
期刊论文
[1]Ag2Se量子点共敏化固态染料敏化太阳能电池光电性能研究[J]. 杨英,潘德群,张政,陈甜,韩晓敏,张力松,郭学益. 无机材料学报. 2019(02)
硕士论文
[1]氮掺杂碳量子点的制备及其在染料敏化太阳电池中的应用研究[D]. 杨启鸣.云南师范大学 2018
本文编号：3219003
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/dianlilw/3219003.html
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